JPH03175393A

JPH03175393A - 土木掘削・推進機械用障害物探知装置

Info

Publication number: JPH03175393A
Application number: JP1313502A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiko Honjo; 克彦本庄; Shigeki Mori; 森　繁基; Junichi Masuda; 順一増田; Sadao Sugimoto; 杉本　禎男; Akira Sawaguchi; 沢口　明
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Inc
Priority date: 1989-12-04
Filing date: 1989-12-04
Publication date: 1991-07-30
Anticipated expiration: 2010-12-20
Also published as: JPH07119806B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的コ（産業上の利用分野）本発明は、土木工事機械の掘削機械又は推進機械の先端
部に付設される障害物探知装置に関し、進行方向の前方
に存在する金属埋設物等の障害物を的確に探知できるよ
うにしたものである。

（従来の技術）従来の土木工事機械用の障害物探知装置としては、例え
ば送信用アンテナから電磁波パルスを土中に送信し、障
害物がらの反射波を受信用アンテナで受信して、これを
探知するようにしたものが知られている。第９図はその
構成を示しており、２１は送信用アンテナ、２２は給電
用の送信回路、２３は受信用アンテナ、２４は受電用の
受信回路、２５は電波吸収体であり両アンテナ２１．２
３の背面側に設けられている。２６は電源を含む演算部
、２７は障害物の表示部である。また、２８は金属埋設
物等の障害物、２つは土である。電波吸収体２５は、送
信用アンテナ２１がら発射された電磁波が機械先端部等
で反射されて送信回路２２及び受信回路２４にノイズと
して入るのを防止するため設けられている。また、その
機械先端部の前面材としては電磁波が透過可能な電波透
過材が用いられている。

この電磁波パルスによる土木工事機械用の障害物探知装
置では、電磁波のパルス波長はアンテナのサイズの１／
２乗に比例する。このため、土木工事機械の前面径が３
０ｃｍでは装着てきるアンテナ・サイズは２５ｃｍ程度
になるので電磁波パルスの中心周波数は４００〜５００
　Ｍ　Ｈｚ程度になる。また、前面径が１０Ｃｍではア
ンテナ・サイズは５ｃｍ程度になるため電磁波パルスの
中心周波数は８００ＭＨｚ　〜１．２ＧＨｚ程度になる
。

このように、土中に１００　Ｍ　Ｈｚ以上の電磁波パル
スを送受信するため、障害物とアンテナ間の距離が増加
するに伴って電磁波は急激に減衰し、般の土中では電磁
波パルスの到達距離が３０ｃｍ以下に限られる。このた
め、障害物の探知可能距離が短かくなる。

また、他の従来の土木工事機械用の障害物探知装置とし
て、電磁誘導法を用い、送信コイルにより地上から電磁
界を土中に送信し、地下の金属物からの被誘導磁界を受
信コイルで受信して、その金属物を探知するようにした
金属物探知装置が知られている。第１０図は、その金属
物探知装置の構成を示しており、３１は送信コイル、３
２は給電用の送信回路、３３は受信コイル、３４は受電
用の受信回路、３５は信号検知部、３６は金属物の表示
部である。

そして、この金属探知装置では、送信コイル３１及び受
信コイル３３を地表面で走査して、金属埋設物２８の最
も近い平面位置を検知する。しかし、この装置では土中
を推進させながら金属埋設物の埋設深さを精度よく判別
することはできない。

（発明が解決しようとする課題）従来の電磁波パルスによる土木工事機械用の障害物探知
装置では、機械先端部に電波吸収体及び電波透過材の取
付はスペースを必要とするため、土木掘削・推進機械の
先端部口径が３０ｃｍ程度になると送・受信アンテナの
実装が困難になる。

また、一般的に実装可能なアンテナサイズは小形のもの
に限定される。このため、電磁波パルスの中心周波数は
１００ＭＨ，ｚ以上となり、一般の土中では電磁波パル
スの到達距離が３０ｃｍ以下に限られて障害物の探知可
能距離が短かくなってしまう。また、土木掘削・推進機
械の先端部には、機械的強度及び耐摩耗性に優れ且つ実
装スペースが小さくてよい一般の金属材料を装着するこ
とができないという問題があった。

また、従来の電磁誘導法による地下の金属物探知装置で
は、装置を埋設物と平行に地表面で走査して地下の金属
埋設物までの最も近い平面位置を検知できるが、土中を
一方向に掘削・推進しながら金属埋設物までの前方最短
距離を精度よく判別することはできなかった。

そこで、本発明は、土木掘削・推進機械の先端部に、そ
の先端部保護材の材質を限定することなく装備すること
ができるとともに、推進方向前方に存在する金属埋設物
までの距離を的確に探知して、土木掘削・推進機械の先
端部か前方の金属埋設物へ衝突する事故を未然に防止す
ることのできる土木掘削・推進機械用障害物探知装置を
提供することを目的とする。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）本発明は上記課題を解決するために、土中を掘削・推進
する土木掘削・推進機械の先端部に装着され、送信交流
電圧に対応した交流電磁界を送信する送信コイル及び該
送信コイルと直交するように配設され前記交流電磁界に
より金属埋設物から得られる被誘導磁界を検知する受信
コイルを備えたセンサ部と、前記先端部の推進に伴い前
記受信コイルで検知された被誘導磁界に対応した受信交
流電圧の変化量及び送・受信交流電圧間の位相差の変化
量に基づいて前記先端部と金属埋設物間の距離を求める
演算手段とを有することを要旨とする。

（作用）土木掘削・推進機械の先端部に、送信コイル及びこの送
信コイルと直交するように配設した受信コイルを内装し
たセンサ部を装着して、電磁誘導法を採用しているので
、機械先端部に電波吸収体及び電波透過材を取付けるこ
とが不要となり、その機械先端部保護材の材質を限定す
ることなく装備させることが可能となる。また、受信コ
イルには、送信コイルからの交流磁束か殆んど交差しな
いので、土中前方の金属埋設物による被誘導磁界を感度
よく受信することかできて金属埋設物までの距離を的確
に探知することが可能となる。

（実施例）以下、本発明の実施例を第１図ないし第８図に基づいて
説明する。

まず、第１図及び第２図を用いて、土木掘削・推進機械
用障害物探知装置の構成から説明する。

これらの図中、１０は土木掘削・推進機械４ｏの先端部
に装着されて土２９中の金属埋設物２８まての距離を探
知するセンサ部、１はセンサ部１゜の外装材であり、外
装材１は、前面板及び背面板を備えた中空円筒状に形成
され、外径約８０ｍｍ。

高さ約１３０ｍｍ、厚さ約１０ｍｍ程度でステンレス材
質（ＳＵＳ３０４材）で作製されている。

外装材１には、交流電磁界を送信する送信コイル２と、
その交流電磁界により金属埋設物２８から得られる被誘
導磁界を検知する受信コイル３とが内装されている。受
信コイル３は送信コイル２と直交するように、その前面
に装着されている。即ち、送信コイル２のコイル軸は円
筒状外装材１の筒袖と同方向に配置され、受信コイル３
のコイル軸は、円筒状外装材１の直径方向と同方向に配
置されている。このような両コイル２．３相互間の配置
態様により、センサ部１０の後方に配置された送信コイ
ル２から励起される交流磁束が殆んど受信コイル３と交
差しないように受信コイル３の位置が調整されており、
土中前方の金属埋設物２８による被誘導磁界の変化を感
度よく受信できるようになっている。

４はフェライト材で作られている送信コイルのコア（磁
心）、５は受信コイルのコアである。また、送信コイル
２の巻数は８００〜１５００回程度、受信コイル３の巻
数は４０００〜６０００回程度となっており、送信コイ
ル２の外径は約５５ｍｍ程度、受信コイル３の外径は約
１０ｍｍ程度てそのコイル軸方向の長さは約４０ｍｍと
なっている。

第２図（Ｃ）は２つのコイルを差動式に連結させて受信
コイル３とした場合を示している。この場合は、２つの
差動型のコイルの相対位置を調整することによって送信
コイル２から２つの受信コイル３に回り込む交流磁束を
ゼロにすることができる。

したかって、土中の金属埋設物２８からの被誘導磁界だ
けを−１感度よく検知することができる。

６は送信コイル２に一定出力の送信交流電圧を与える送
信回路、７は受信コイル３て得た受信電圧信号を増幅し
て検知する受信回路、８は送信回路６に電力を供給する
電源部、９は送信回路６から得た送信交流波形を基に受
信回路７を通して得られる受信電圧信号を増幅し、後述
の式で示される受信交流電圧（Ｖ）及び位相差（φ）を
測定するロック・インアンプ、１１は土木掘削・推進機
械の先端部の推進距離（Ｌ）に基づいて、受信交流電圧
波形及び送信交流電圧波形を基に後述する式で定義され
る受信交流電圧の変化量（ΔＶ）、位相差の変化Ｉｔ（
Δφ）及びこれらの積で与えられる探知パラメータ値（
ΔＶ×Δφ）を算出して金属埋設物２８まての距離を求
める演算手段としての演算部である。ここで、ΔＶは送
・受信コイル２．３が実装されている先端部が土中を推
進する距離（Ｌ：地面と平行に先端部が推進する方向の
座標）の変化に対する受信交流電圧Ｖの変化量であり、
Δφは距離（Ｌ）の変化に対する位相差（φ）の変化量
である。１２は探知結果を表示する表示部である。

この実施例の土木掘削・推進機械用障害物探知装置のポ
イントは、電磁誘導法を用いて後述する式で示される各
測定パラメータから土中に埋設された金属物を土木掘削
・推進機械の先端から検知して、その金属埋設物２８ま
での距離を探知することである。

次に、第３図を用いて、上述のように構成された土木掘
削・推進機械用障害物探知装置の作用を説明する。土木
掘削・推進機械の先端部が地面と平行して推進していく
。その際、先端部に取付けられたセンサ部１０の送信コ
イル２から推進方向に向けて励起用の交流電磁界を与え
る。

この時の送信コイル２に与えられる送信交流電圧ＶＯを
、ＶＯ（ｔ）−ＶＯ・ｓ　ｉｎ　（２πｆ　ｔ−φ０）・
・・（１）とすれば、前方の金属埋設物２８による被誘導磁界によ
って得られる受信コイル３の受信交流電圧ＶＩＮは、ＶＩＮ　　（ｔ）＝ＶＩ　Ｎ　Φｓ　ｉｎ　（２πｆ　ｔ−＄Ｉ　Ｎ）　
−（２）と検知される。ここで、受信コイル３の受信交
流電圧（Ｖ）、位相差（φ）、探知パラメータ値として
定義される受信交流電圧の推進距離りの変化に対する変
化量（ΔＶ）及び位相差の変化量（Δφ）を以下の各式
で示すように定める。第３図には、これらの測定パラメ
ータを、送信コイル２及び受信コイル３における時間変
化に対する交流電圧波形を基に示す。

Ｖ＝ＶＩＮ　　　　　　　　　　　　　　　・・・（３
）φ　＝φ０−φ　ＩＮ　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　・・・（４）ΔＶ−δ　Ｖ／δ　Ｌ　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（５）Δφ＝
δ　φ／δ　Ｌ　　　　　　　　　　　　　　　　　　
・・・（６）そこで、前述の金属埋設物までの探知パラ
メータ値（ΔＶＸΔφ）は、 Δ■×Δφ−（δＶ／δＬ）×（δφ／δＬ）・・・（
７）と定めることができる。

これらのうち、（３）、（４）式η与えられたＶ及びφ
はロック・インアンプ１５で検知し、（５）〜（７）に
示す一連の測定パラメータを演算部１１て算出する。

最後に、探知パラメータ値（ΔＶ×Δφ）を基に前方の
金属埋設物２８までの距離髪を計算する。

第４図に上述の探知アルゴリズムを示す。まず、受信コ
イル３及び受信回路７で得る受信波形を１０〜１００回
加算平均化する（ステップ１５）。

次に、受信交流電圧Ｖ１位相差φを測定しくステップ１
６）、推進機先端部の推進距離りを基に電圧変化量（Δ
Ｖ）及び位相差変化量（Δφ）を算出する（ステップ１
７．１８）。（５）、（６）及び（７）式て定めた探知
パラメータ値を算出しくステップ１９）、この値を基に
金属埋設物２８まての距離愛を算出する（ステップ２０
）。

次いて、第５図〜第８図を用いて、具体的な探知例を述
べる。

この探知例は、センサ部１０として第２図（Ｃ）に示す
差動型の２つの受信コイル（各巻数５０００回）３と送
信コイル（巻数１０００回）２を外装材（ＳＵＳ３０４
材：厚さ１０ｍｍ）１に内装したものを用いている。ま
た、土壌には砂を用いている。

まず、第５図は、センサ部１０と金属埋設物２８である
金属管までの距離斐が８Ｑｃｍ、４０Ｃｍｓ　２０ｃｍ
及びｉ　Ｑ　ｃ　ｍの各場合の受信コイル３の電圧変化
量ΔＶと送信コイル２の励起用交流電磁界の周波数「と
の関係を示す。この場合、第１図に示すようにセンサ部
１０が金属管（７５ｍｍφ鋼管）の軸に垂直に接近して
いくとき、距離髪が減少するに従って電圧変化量Δ■は
大きくなる。特に、１−２０ｃｍ以下で受信コイル３の
受信電圧の変化量ΔＶは励起周波数ｆが６００Ｈｚで最
大になる。

第６図はセンサ部１０と金属管までの距離交が８０ｃｍ
、４０ｃｍ、２０ｃｍ及びｌＱｃｍの各場合の送・受信
コイルの送・受信電圧波形間の位相差の変化量Δφと送
信コイル２の励起周波数ｆとの関係を示す。この場合も
距離斐の減少に伴い位相差の変化量Δφは増加する。上
記の場合と同様に１＝２０ｃｍ以下で受信コイル３の位
相差の変化量Δφは励起周波数ｆが６００Ｈｚで最大に
なる。

第７図はセンサ部１０と金属管までの距離愛が８０ｃｍ
、４０ｃｍ、２０ｃｍ及びｌＱｃｍの各場合の探知パラ
メータ値（Δ■×Δφ）と励起周波数ｆとの関係を示す
。この場合、金属管からの距離吏が減少するに伴って探
知パラメータ値は増加する。励起周波数が２００Ｈｚ〜
２ＫＨ７の領域で２０ｃｍ以下の探知距離が可能である
。また、６００Ｈｚ付近の周波数で４Ｑｃｍ以下の探知
距離が可能である。

第８図は励起周波数６００Ｈｚの場合の探知パラメータ
値と金属管からの距離愛の関係を示す。

ここで、金属管は７５ｍｍφの鋼管（ＰＳ管）及び３５
ｍｍφの鋼管（ＳＧＰ管）を用いている。

７５ｍｍφ鋼管では探知パラメータ値は距離愛が８０ｃ
ｍから減少するに伴って増加する。測定のバラつきを考
慮して４０ｃｍ以内の金属管の探知が可能である。３５
ｍｍφ鋼管では距離斐が４０ｃｍから減少するに伴って
増加する。この場合、２０ｃｍ以内の金属管の探知が可
能である。

［発明の効果］以上説明したように、本発明によれば、土木掘削・推進
機械の先端部に、交流電磁界を送信する送信コイル及び
この送信コイルと直交するように配設され金属埋設物か
ら得られる被誘導磁界を検知する受信コイルを備えたセ
ンサ部を装着し、先端部の推進に伴い前記受信コイルで
検知された被誘導磁界に対応した受信交流電圧の変化量
及び送・受信交流電圧間の位相差の変化量に基づいて演
算手段により先端部と金属埋設物間の距離を求めるよう
にしたため、機械先端部には、電磁波パルス法を採用し
たときに必要な電波吸収体及び電波透過材の取付けが不
用となってその機械先端部保護材の材質を限定すること
なくどのような機種の機械先端部にも装備させることが
できる。また、受信コイルには、送信コイルからの交流
磁束が殆んど交差しないので、土中前方の金属埋設物に
よる被誘導磁界を感度よく受信することができて金属埋
設物までの距離を的確に探知することができる。七たが
って土木掘削・推進機械の先端部が前方の金属埋設物へ
衝突する事故を未然に防止することができる。また、本
発明は、金属埋設物を的確に探知することができるため
、その応用として、コンクリート構造物に対して穿孔工
事を行う場合に、そのコンクリート内の鉄筋、金属管等
の破損事故を未然に防止するような技術へ適用すること
も可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第８図は本発明に係る土木掘削・推進機械
用障害物探知装置の実施例を示すもので、第１図は全体
構成を示す構成図、第２図はセンサ部を拡大して示す図
、第３図は送受信コイルで得た送信電圧波形及び受信電
圧波形を基にして各探知パラメータを示す図、第４図は
金属埋設物の探知アルゴリズムを説明するためのフロー
チャート、第５図は金属埋設物とセンサ部間の距離の変
化に伴う受信電圧の変化量ΔＶと励起周波数ｆとの関係
を示す特性図、第６図は金属埋設物とセンサ部間の距離
の変化に伴う送・受信電圧波形間の位相差の変化量Δφ
と励起周波数ｆとの関係を示す特性図、第７図は金属埋
設物とセンサ部間の距離の変化に伴う探知パラメータ値
（Δｖ×Δφ）と励起周波数ｆとの関係を示す特性図、
第８図は鋼管を砂中に埋設した場合の探知パラメータ値
と鋼管からの距離との関係を示す特性図、第９図は従来
の電磁波パルス法による障害物探知装置を示す構成図、
第１０図は他の従来例である電磁誘導法による金属物探
知装置を示す構成図である。２：送信コイル、　３：受信コイル、１０：センサ部、　１１：演算部（演算手段）、２８：
金属埋設物、４０：土木掘削・推進機械。

Claims

【特許請求の範囲】

土中を掘削・推進する土木掘削・推進機械の先端部に装
着され、送信交流電圧に対応した交流電磁界を送信する
送信コイル及び該送信コイルと直交するように配設され
前記交流電磁界により金属埋設物から得られる被誘導磁
界を検知する受信コイルを備えたセンサ部と、前記先端
部の推進に伴い前記受信コイルで検知された被誘導磁界
に対応した受信交流電圧の変化量及び送・受信交流電圧
間の位相差の変化量に基づいて前記先端部と金属埋設物
間の距離を求める演算手段とを有することを特徴とする
土木掘削・推進機械用障害物探知装置。